虛擬現(xiàn)實技術-1st

虛擬現(xiàn)實技術

VirtualRealityTechnology汪日偉craftcub@163.com天津理工大學計算機與通信學院題綱第一講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實概述述第二講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實顯示示技術計算機三三維圖形形技術立體圖形形顯示技技術聲音、力力覺顯示示第三講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實跟蹤蹤技術位置跟蹤蹤器數(shù)據手套套人體運動動跟蹤第四講人人體動動畫技術術第一講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實概述述本講題綱綱為什么要要研究虛虛擬現(xiàn)實實技術虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的構成與與特點主要問題題與研究究方向1、為什什么要研研究虛擬擬現(xiàn)實技技術？計算科學學的應用用與存在在的問題題計算科學學已發(fā)展展成為與與理論和和實踐并并列的第第三種科科學研究究方法，，為解決決一些傳傳統(tǒng)方法法無法解解決的問問題提供供了新途途徑、新新方法。。人機交互互方式計算機表表達信息息的形式式更真實實示例：這這是一個個什么樣樣的場景景？見CG__Wrl_5__011.wrl中數(shù)數(shù)據1）產產品設計計與人機機功效(飛機，空空間站等等)虛擬原型型的設計計和驗證證虛擬裝配配虛擬人機機工程學學機器人領領域典型應用用工程的設設計和規(guī)規(guī)劃波音公司司完全使使用虛擬擬現(xiàn)實技技術設計計波音777新型客機機獲得成成功多倫多市市（Toronto）的城市市規(guī)劃與與管理城市規(guī)劃劃大型工程程漫游名勝古跡跡虛擬旅旅游數(shù)字化酒酒店展示示系統(tǒng)奧迪效果果圖和線線框圖2）科科學計算算可視化化用于核彈彈B-61-x的虛擬組組裝系統(tǒng)統(tǒng)3）虛虛擬組裝裝4）仿仿真訓練練5）協(xié)協(xié)同工作作環(huán)境的的仿真6）娛娛樂游戲《半條命2》Secondlife中國人的的SecondLife教育、藝藝術和娛娛樂教育虛擬校園園，虛擬擬實驗和和教學，，遠程教教育和特特殊教育育，技能能培訓，，建筑設設計與城城市規(guī)劃劃娛樂1990,battleTechcenter1991,W-IndustriesLtd浙大虛虛擬乒乓乓球寧波新文文三維：：室內高高爾夫運運動模擬擬器，虛虛擬主持持人等騰訊的3DQQshow.藝術文化遺產產保護：：北大故故宮，浙浙大和德德國合作作敦煌數(shù)數(shù)字化虛擬博物物館和虛虛擬旅游游：故宮宮，盧浮浮宮虛擬音樂樂：東京京Waseda大學開發(fā)發(fā)的musicalvirtualspace..虛擬演播播室：1991NHK的Nanospace虛擬演員員電影：侏侏羅紀公公園，泰泰坦尼克克，星球球大戰(zhàn)，，動捕中視典數(shù)數(shù)字科技技有限公公司，總部注注冊于深深圳高新新技術園園區(qū)，成成立于2002年，北京京分公司司成立于于2005年1月。是從從事虛擬現(xiàn)實實與仿真、、多媒體體技術、、三維動動畫研究究與開發(fā)發(fā)的專業(yè)業(yè)機構，，是國際際領先的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術術（virtualrealityTechnology）整體解解決方案案供應商商和相關關服務提提供商。。以清華大大學工業(yè)業(yè)系仿真真實驗室室雄厚的的技術開開發(fā)實力力為基礎礎，自成成立之日日起就以以開發(fā)和和制作適適合中國國虛擬仿仿真市場場的仿真真系統(tǒng)解解決方案案和適于于推廣的的可視化化軟件平平臺為主主要方向向，立志志創(chuàng)造中中國虛擬擬仿真軟軟硬件的的旗幟名名牌。公公司現(xiàn)已已獨立研研發(fā)了包包括數(shù)據據手套，，虛擬環(huán)環(huán)境的力力反饋等等系統(tǒng)，，并成功功實現(xiàn)了了中國第第一套動動作捕捉捉系統(tǒng)填填補了國國內空白白，成績績豐碩，，已成為為用戶中中國仿真真界中首首選的理理想合作作企業(yè)。。計算科學學的應用用與存在在的問題題(續(xù))1.計算科學學已發(fā)展展成為與與理論和和實踐并并列的第第三種科科學研究究方法，，為解決決一些傳傳統(tǒng)方法法無法解解決的問問題提供供了新途途徑、新新方法。。2.計算科學學中傳統(tǒng)統(tǒng)的人機機交互方方式不能能滿足要要求。3.計算機軟軟件硬件件水平的的發(fā)展給給虛擬現(xiàn)現(xiàn)實研究究提供了了有利條條件為什么要要研究虛虛擬現(xiàn)實實技術？？傳統(tǒng)人機機交互方方法：人與計算算機間的的交互通通過鍵盤盤、鼠標標、顯示示屏等工工具實現(xiàn)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實實方法：：將計算科科學處理理對象統(tǒng)統(tǒng)一看作作一個計計算機生生成空間間（虛擬擬空間或或虛擬環(huán)環(huán)境），，并將操操作它的的人看作作是這個個空間的的一個組組成部分分(man-in-the-loop)。人與計算算機空間間的對象象之間的的交互是是通過各各種先進進的感知知技術與與顯示技技術（即即虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術術）完成成。人可以感感受到虛虛擬環(huán)境境中的對對象，虛虛擬環(huán)境境也可以以感受到到人對它它的各種種操作（（類似于于人與真真實世界界的交互互方式））。虛擬現(xiàn)實實技術的的發(fā)展1956年,美國的MortonHeileg開發(fā)了一一個被稱稱為Sensorama((傳感景院院）的摩摩托車仿仿真器，，具有以下功能：：三維視頻頻及立體體聲效果果，振動風吹吹的感覺覺，城市街道道的氣味味，用戶可以以坐在仿仿真器的的座位上上經歷一一種開摩摩托車漫漫游美國國紐約曼曼哈頓的的感覺。。虛擬現(xiàn)實實技術的的發(fā)展((續(xù))1965年，美國國的IvanSutherland發(fā)表了一一篇名為為“TheUltimateDisplay”（終極的的顯示））的文章。。1968年，他在哈佛佛大學組組織開發(fā)發(fā)出第一一個計算算機圖形形驅動的的頭盔顯顯示器（（Helmet--MountedDisplay，即HMD），并開開發(fā)了與HMD相配的頭部位置置跟蹤系系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實實技術的的發(fā)展((續(xù))這些探索索過程中中，人們們開始形形成與虛虛擬環(huán)境境相關的的以下一一些概念念：人工現(xiàn)實實（ArtificialReality）虛擬現(xiàn)實實（靈境境）（VirtualReality）虛擬環(huán)境境（VirtualEnvironment）電腦空間間（Cyberspace）等這些可以以理解為為對虛擬擬現(xiàn)實技技術的不不同稱呼呼，其中中以VirtualReality一詞影響響最廣。。虛擬現(xiàn)實實技術的的發(fā)展((續(xù))VIDEOPLACE系統(tǒng)VIDEOPLACE是由M.W..Krueger基于視頻頻的方法法設計的一個虛虛擬環(huán)境境。他認為為，與計計算機相相比，人人類的進化要緩緩慢得多多；因此此，人機機接口研研究應該該將重點點放在相相對不變變的人類類特性上上。計算算機應該該適應人人，而不不是讓人人去適應應計算機機。在這這種思想想指導下下，當其其他早期期研究者者考慮穿穿著或戴戴著設備備時，Krueger將目標瞄瞄準無障障礙的環(huán)環(huán)境式人人工現(xiàn)實實。虛擬現(xiàn)實實技術的的發(fā)展((續(xù))VIEW在虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技術術發(fā)展史史上的地地位舉足足輕重。。當1985年VIEW系統(tǒng)的雛雛形在美美國NASAAmes研究中心心完成時時，該系系統(tǒng)以低低廉的造造價、讓讓參與者者有“真真實體驗驗”的效效果引起起有關專專家的注注目。該該系統(tǒng)的的雛形是是在MichaelMcGreevy領導下完完成的。。VIEW系統(tǒng)有以以下特點點：保持了低低造價的的優(yōu)勢裝備了數(shù)數(shù)據手套套、頭部部跟蹤器器等硬件件設備提供了語語音、手手勢等交交互式手手段。2、虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的構構成與特特點虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)一個示例例：virtualcockpitVirtualRealitysystemstotrainaircraftpilotsandtankcommanders虛擬現(xiàn)實實=virtual++reality2.1、、虛擬現(xiàn)現(xiàn)實的含含義虛擬現(xiàn)實實(virtualreality，簡稱VR))或稱虛擬環(huán)境境(virtualenvironment)，是一種種逼真的的視、聽聽、觸覺覺一體化化的計算算機生成成環(huán)境，，用戶可可以借助助必要的的裝備以以自然的的方式與與虛擬環(huán)環(huán)境中的的物體進進行交互互作用、、相互影影響，從從而獲得得親臨等等同真實實環(huán)境的的感受和和體驗。。2.2虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)的實現(xiàn)現(xiàn)方法虛擬現(xiàn)實實的主要要目的是是實現(xiàn)自自然人機機交互，，即實現(xiàn)現(xiàn)一種逼真真的視、、聽、觸觸覺一體體化的計計算機生生成環(huán)境境。虛擬現(xiàn)實實的主要要實現(xiàn)方方法是借借助必要要的裝備備，實現(xiàn)現(xiàn)人與虛虛擬環(huán)境境之間的的信息轉轉換，最最終實現(xiàn)現(xiàn)人與環(huán)環(huán)境之間間的自然然交互與與作用。。J.J..Gibson總結的感知系統(tǒng)統(tǒng)人類的感感知系統(tǒng)統(tǒng)行為系統(tǒng)統(tǒng)人類的行行為系統(tǒng)統(tǒng)人與環(huán)境境的關系系虛擬現(xiàn)實實的概念念模型王兆其，，《虛擬環(huán)境境中物體體運動逼逼真性的的研究》，博士學學位論文文，北京京航空航航天大學學，1999.6..2.3幾種典型型的虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)及其其應用(1)AugmentedReality應用領域域：維修修，醫(yī)學學檢查，，培訓等等主要問題題：虛實實一致性性王兆其《虛擬環(huán)境境中物體體運動逼逼真性的的研究》博士論文文，北京京航空航航天大學學，1999.6..R.T.Azuma,ASurveyofAugmentedReality,Presence:TeleoperatorsandVirtualEnvironments,1997,,6((4)::355~385(2)多多用戶戶虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)一次允許許多個用用戶參與與。典型的系系統(tǒng)有：：mWorld,,CAVE，DIVE等主要應用用：虛擬擬研討環(huán)環(huán)境(聊天室),虛擬社區(qū)區(qū)主要問題題：保證證多個用用戶對虛虛擬環(huán)境境有一致致的感受受王兆其《虛擬環(huán)境境中物體體運動逼逼真性的的研究》博士論文文，北京京航空航航天大學學，1999.6..(3)分分布式式虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)分布于不不同地理理位置的的多臺計計算機通通過網絡絡互聯(lián)主要應用用：軍事事仿真，，多用戶戶虛擬環(huán)環(huán)境典型系統(tǒng)統(tǒng)：SIMNET，NPSNET，STOW，DVENET主要問題題：系統(tǒng)統(tǒng)的一致致性(由數(shù)據分分布與網網絡延遲遲引起)王兆其《虛擬環(huán)境境中物體體運動逼逼真性的的研究》博士論文文，北京京航空航航天大學學，1999.6..(4)遙遙存在在(Tele--Presence))真實世界界與操作作人員相相隔兩地地主要應用用：遠程程手術，，遠程探探測等王兆其《虛擬環(huán)境境中物體體運動逼逼真性的的研究》博士論文文，北京京航空航航天大學學，1999.6..ImmersionImaginationInteractionI32.4虛虛擬擬現(xiàn)實的的三個特特征沉浸感(immersion):參與者全全身心地地沉浸于于計算機機所生成成的三維維虛擬環(huán)環(huán)境，并并產生身身臨其境境的感覺覺。交互性(interaction)):參與者可以利用用各種感官功能能及人類類自然技技能虛擬擬環(huán)境進進行交互互考察與與操作。構想性(imagination)):參與者借借助VR系統(tǒng)給出出的逼真真視聽觸觸覺信號號而產生生的對虛虛擬空間間的想象象三、主要要問題與與研究方方向3.1存存在的的主要問問題虛物實化化如何根據據虛擬環(huán)環(huán)境生成成人可直直接感受受到的真真實信號號（聲、、光、電電）。是是一個顯顯示（輸輸出）問問題。實物虛化化如何將真真實世界界中的物物（特別別是人））與事件件（特別別是人的的動作））傳入虛虛擬環(huán)境境中。是是一個感感知的問問題。網絡技術術如何讓多多個用戶戶（特別別是不在在同一地地理位置置的多個個用戶））參與到到同一個個虛擬環(huán)環(huán)境中。。3.2主要研究究方向之之一：感知技術術的研究究研究如何何感知真真實世界界中人和和物的存存在及相相關事件件的發(fā)生生：電磁感知知：三維維定位跟跟蹤技術術。數(shù)據手套套與數(shù)據據衣感知知技術。。視覺感知知：基于于計算機機視覺原原理感知知技術。。聽覺感知知：基于于聲音定定位原理理的感知知技術。。觸覺與力力覺感知知：觸覺覺與力覺覺感知技技術。多種感知知信息的的融合技技術。3.2主要研究究方向之之二：合成顯示示技術的的研究研究虛擬擬環(huán)境的的合成顯顯示，包包括圖像像、聲音音、觸覺覺和力覺覺的輸出出。立體顯示示技術聲音合成成技術觸覺與力力覺合成成顯示技技術3.2主要研究究方向